循环冷却水池与循环水泵设计探讨

梅欢， 连广宇， 李晓帆， 陶贤文， 袁国清， 郭琦

（1.中国石油工程建设有限公司北京设计分公司， 北京 100085； 2.国家管网集团工程技术创新有限公司，天津 300450； 3.中国石油国际勘探开发有限公司， 北京 100033）

循环冷却水池一般设置在其中1 套或几套冷却塔下［1-2］， 水池长宽与冷却塔外形尺寸密切相关，水泵吸水池作为循环冷却水池的一部分， 位于其一侧。 循环冷却水池容积由循环水量、 药剂停留时间以及水泵吸水条件等综合确定。 GB／T 50746—2012《石油化工循环水场设计规范》， GB／T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》，GB／T 50102—2014《工业循环水冷却设计规范》，GB／T 50392—2016《机械通风冷却塔工艺设计规范》等多个规范虽然均对循环冷却水池的容积和深度有说明， 但不太一致。 本文以伊拉克某大型天然气处理厂循环冷却水系统为例， 结合国外相关设计规范， 以及厂家的操作维护手册， 详细介绍了水池与水泵的一些设计要点， 供相关项目设计参考。

1 循环冷却水系统

该大型天然气处理厂位于伊拉克哈法亚油田，循环冷却水系统主要用来服务站场内气处理单元，总设计循环水量为7 000 m3／h， 系统浓缩倍数为5，在设计干湿球温度和当地气象条件下， 补充水量为112.2 m3／h， 排污量为15.8 m3／h。 采用4 套1 750 m3／h 的喷雾推进通风冷却塔（4 用）， 水池位于其中1 套冷却塔下， 其他冷却塔冷却水通过管道接入水池中。设置5 台循环水泵（4 用1 备）， 流量为1 750 m3／h，扬程为65 m， 轴功率为360 kW。

2 水池容积与液位

根据GB／T 50746—2012 规定， 循环冷却水系统容积宜控制在循环水小时流量的1／3 ～1／2， 水池有效水深1.0 ～1.5 m， 且应小于药剂允许停留时间， 同时水池容积在保证泵吸水安全的条件下应尽量减少［3］。 在GB／T 50050—2017 中规定， 间冷开式系统水容积宜小于循环水小时流量的1／3［4］。 在GB／T 50102—2014 中规定， 根据国内运行经验，循环水系统的水容积约为循环水小时流量的1／5 ～1／3， 水池深度可设置为2.0 m， 在此范围内保证系统的安全运行［5］。 GB／T 50392—2016 规定水池有效水深宜为1.2 m ～2.3 m［6］。

从工程造价、 操作便利性以及安全性来分析，水池宜整体地上设置， 水泵吸水池（与循环冷却水池合建）宜局部半地下设置。 水池的长度与宽度由冷却塔尺寸决定， 水池的设计关键在于液位的设计， 液位设计的关键在于确定水池停泵液位（LL）。 水池停泵液位首先应满足水泵气蚀余量要求。 所选用水泵的NPSHr（必须气蚀余量）， 由水泵厂家提供。 安全裕量考虑1.0 m， 根据水泵吸水管路布置确定水头损失， 系统最高操作温度下水的饱和蒸气压， 根据海拔高度确定当地大气压力。 根据以上信息核算LL， 计算公式如下［7］：

LL=（NPSHr ＋1）＋hv＋hc＋L1-ha（1）

式中： LL 为低低液位（停泵）， m； NPSHr 为必须气蚀余量， m； hv为水的饱和蒸气压， m； hc为管路水损， m； L1为水泵进水管中心高度， m；ha为当地大气压力， m。

同时， LL 停泵液位还需要考虑水泵吸水口处防旋涡高度， 最低运行液位距离喇叭口边缘距离S按下式计算［7］， 然后确定停泵液位：

式中： Fr 为弗劳德数； D 为喇叭口外径， m；v 为喇叭口流速， m／s； g 为重力加速度， 9.8 m／s2；S 为最低运行液位距离喇叭口边缘距离， m； L2为吸水喇叭口边缘高度， m。

溢流液位（H′）和高报警液位（H）以及低报警液位（L）和LL 液位之间考虑20 min 补水（见图1），以便系统补水过多或补水不及时等故障发生时， 操作维护人员有足够时间去现场进行故障处理。 H 液位和L 液位之间为有效水深， 考虑5 min 循环水量， 有效水深1.0 ～1.5 m 较为合适。 池壁超高按0.3 m 设置。 根据以上原则确定水池液位和水池总高度后， 再结合管网、 设备内水容积和水池容积加总得到的系统总容积为循环水小时流量的1／5 ～1／3 较为合适。

图1 水池液位示意Fig. 1 Liquid level of cooling water pond

3 水泵

循环水泵属于大型水泵， 且供水安全要求高，需要采用自灌式充水， 水池内启泵液位需要满足水泵外壳顶点的高度要求。 为了保证泵吸水口至水泵入口的流体对称性， 偏心大小头之前设置一段长度不小于5D（D 为泵入口管内径）的直管段［8］， 如图2所示。 根据水泵厂家（Flowserve）操作维护手册介绍， 在试运启泵初期， 为了防止杂质、 铁锈和泥土等杂质进入水泵， 需要在泵吸入口5D 和10D 之间设置1 套临时过滤器（锥形过滤器）， 采用20 目过滤孔径的过滤器， 当水泵启动正常运行后， 需要移除这套临时过滤器。

图2 水泵吸入口直管段要求Fig. 2 Straight pipe length requirement before pump suction

4 结语

（1） 循环冷却水池的液位设计和水池高度的关键在于确定水池LL 停泵液位， 水泵吸水侧的LL停泵液位， 应根据水泵吸水喇叭口防旋涡高度和所采用循环水泵的NPSHr 来综合考虑。

（2） 核算完水池的深度后， 结合水池的长度和宽度（根据冷却塔长度和宽度确定）核算水池容积，在不超过所用药剂允许停留时间的情况下， 尽量减少水池容积。 循环冷却水池水容积宜等于循环水小时流量的1／5 ～1／3， 水池有效深度为1.0 ～1.5 m。